直流电动机开环调速系统设计

1、 摘 要 本文分析了直流电动机开环调速系统的控制器与被控对象的控制现象，以及开环控制系统对被控对象的控制的问题。同时给出解决减小扰动的控制方案。本文针对开环控制直流调速系统中的应用，给出了实验结果，并和闭环控制直流调速系统进行比较，使学生认识到采用开环控制方案对最基本的控制方案有一定的了解，并对闭环控制的优点有一定的认识。长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析

2、也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 目 录一 课题背景 1二 直流电动机开环调速系统仿真原理 1 2.1 仿真原理 1 2.2 参数的理论计算值 3三 仿真过程 3 3.1 仿真原理图 4 3.2 仿真结果

3、13四 仿真分析16五 总结16六 参考文献16一、 课题背景 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。在现代生产过程中，许多电机要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流电动机开环调速系统具有良好的启动，制动性能，适宜在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正

4、反向的电力拖动领域中得到广泛的应用。从控制角度来看，直流调速还是交流拖动的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍的电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着模拟技术的逐渐成熟使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能够达到更高的性能，还能节省人力资源和降低系统成本，从而有效提高工作效率。二、直流电动机开环调速系统仿真原理 2.1 仿真原理 直流开环调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平

5、波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。(3) 加、减速。频繁起、制动的设

6、备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。(1) 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即。其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速。(2) 静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即。显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高

7、。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。(3) 直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速，若额定负载下的转速降落为，调速范围为，表示变压调

8、速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，值一定，由可见，如果对静差率要求越严，即要求值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。 图1 直流开环调速系统电气原理2.2 参数的理论计算值 Generator的同步电压连接。触发器的控制角（alphadeg端）通过了移相控制环节（shifter），移相控制模块的输入是移相控制信号Uc（图2中Uc），输出是控制角，移相控制信号Uc由常数模块设定。移相特性如图3所示。移相特性的数学表达式为在本模型中取，所以。在电动机的负载转矩输入端TL接入了斜坡（Ramp）和饱和(Satutration)两个串联模块，斜坡模块用于设置负载

9、转矩上升速度和加载的时刻，饱和模块用于限制负载转矩的最大值。三、仿真过程3.1仿真原理图 图2 直流电动机开环调速系统的仿真模型根据实验原理图在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。1、 具体仿真步骤a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。c、原件库如下图所示如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。2、所用元器件及其参数设置 a)Three-Phase Source（三相交

10、流电源A、B、C） 三相电源参数设置设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。 b）Universal Bridge(三相整流桥）普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。 c)Synchronized 6-Pluse Generator(同步脉冲触发器） d) DC Machine（直流电动机）直流电动机的运行特性主要有两条:一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速-转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异。F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。m端用于输出电机的内部变

11、量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为0.210.0021，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为146.70，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为1.9，初始角速度(

12、initial speed)为0.1。 e).Voltage Measurement f)Constant g)Fcn h)Senies RLC Branch i) Mean Value j)Scope k)Gain l)Saturation m)Ramp n)Demuxo)DC Voltage Sourcep)XY Graph13.2 仿真结果由以上原理图绘制，参数设置，以及波形调试得出以下仿真结果，其波形图如下所示： a. 整流器输出电压b.电枢两端电压c.电动机转速d.电枢电流e.电动机转矩曲线 f、转矩-转速特性四、仿真分析 仿真的结果如图上图a,b,c,d,e,f所示。其中图a所示为

13、整流器输出端的电压波形（局部），图b 所示为经平波电抗器后电动机电枢两端电压波形，该波形较整流器输出端的电压波形脉动减少了许多，电压平均值在225V左右符合设计要求。图c 所示为转速变化过程，在全压直接起动情况下，起动电流很大，在2.5s左右起动电流下降为零（空载起动），起动过程结束，这时电动机转速上升到最高值。在起动0.5s后加额定负载，电动机的转速下降，电流增加。图e所示为电动机的转矩变化曲线，转矩曲线与电流曲线成比例。图f给出了工作过程中电动机的转矩-转速特性曲线。通过仿真反映了开环晶闸管-直流电动机系统的空载起动和加载工作情况。五、总结 一开始拿到题目的时候自己就完全不知道如何下手，看到要求用matlab这个软件进行仿真分析，一下子就蒙了，似乎熟悉，似乎有模糊，熟悉是因为上学期，学习电力电子的时候用过，模糊的是现在大多数已经忘记怎么用了。不过，经过一轮摸索过后找到了以前的感觉，因此画起来就轻松多了。图是画起了，但是运行起来后，输出的波形总是不对。因为要对元件进行准确的参数设置，才能输出需要的的波形效果。而这也是我们感到最不容易的，必须要一一进行分析计算，最后再将得到的参数填写在相应的元件中去。通过本次的课程设计，不仅让自己学习到了专业知识，而且也对matlab这个软件有了